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Tief in der Erdkruste verschieben sich gewaltige Gesteinsplatten. Doch was passiert dabei auf mikroskopischer Ebene? Physiker vom Forschungszentrum Jülich und der Universität des Saarlandes haben eine neue Erklärung vorgelegt: Die Gesteinskörner verzahnen sich nicht – sie „verkleben“.
Wenn sich tektonische Platten bewegen, geschieht das selten gleichmäßig. Mal gleiten sie nahezu unmerklich, mal rutschen sie abrupt – es kommt zu einem Erdbeben. Was dabei auf kleinster Ebene vor sich geht, gehört zu den offenen Fragen der Erdbebenforschung.
Physikalisch handelt es sich um ein Reibungsproblem. Um die Prozesse besser zu verstehen, haben die Wissenschaftler die Reibung von Granit auf Granit untersucht – ein vereinfachtes Modell für tektonische Störungen. Experimente, Simulationen und Theorie liefern ein überraschend eindeutiges Bild: Reibung im Gestein entsteht anders als lange angenommen.
Kleben statt Kratzen
Bislang standen vor allem mechanische Prozesse im Verdacht: Rauhe Oberflächen verhaken sich, werden abgeschliffen, harte Spitzen ritzen Spuren ins Material. Genau auf diesen Annahmen beruhen auch die meisten Erdbebenmodelle.
Doch diese Vorstellung greift offenbar zu kurz. „Der Abrieb ist nicht entscheidend. Wir konnten zeigen, dass stattdessen eine andere Ursache dominiert“, erklärt Dr. Bo Persson vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-1).
An winzigen Kontaktstellen gehen die Gesteinsoberflächen chemische Bindungen ein – eine Art Kaltverschweißung. „Wenn Gesteine aneinander vorbei gleiten, lösen sich diese Bindungen ähnlich wie bei einem Klettverschluss. Das erfordert Energie – und erzeugt Reibung“, so Persson.
Die Forschenden konnten zudem einen Größeneffekt nachweisen. „In kleinen Systemen erfolgt das Aufbrechen der Bindungen gleichmäßig, während es in großen Systemen ungleichmäßig verläuft – einige Bereiche lösen sich früher als andere –, was den sogenannten Losbrechwiderstand verringert“, ergänzt Persson.
Computergestützte Erkenntnisse
Die neuen Ergebnisse werden durch Computersimulationen bestätigt, die an der Universität des Saarlandes durchgeführt wurden. Prof. Martin Müser erforscht dort mit seinem Team schon seit Jahren die Reibung zwischen Festkörpern unter extremen Bedingungen.
„In unseren Simulationen konnten wir das Aufbrechen von Bindungen als hauptsächliche Ursache für die Reibung festmachen“, erklärt Prof. Martin Müser. „Daneben tragen aber auch das Verformen und lokale Aufschmelzen des Materials zur Reibung bei – Effekte, die auch in bestehenden Modellen eine Rolle spielen.“
Neue Sicht auf Erdbeben
Die Ergebnisse legen nahe, dass sich tektonische Platten auf mikroskopischer Ebene anders verhalten als angenommen. Bisherige Modelle gingen davon aus, dass sich Spannung über lange Zeit aufbaut und sich dann plötzlich in einem Bruch entlädt.
Das neue Modell zeichnet ein anderes Bild: Die Bewegung beginnt deutlich früher. Die Platten verharren nicht vollständig in Ruhe, sondern verschieben sich ständig – extrem langsam, oft nur Bruchteile eines Nanometers pro Sekunde. Das entspricht wenigen Millimetern pro Jahr und wird als „Kriechen“ („Creep“) bezeichnet.
Vom Kriechen zum Gleiten
Auf mikroskopischer Ebene lösen sich dabei fortlaufend chemische Bindungen und bilden sich neu. Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt zunächst die Reibung. Wird jedoch eine kritische Schwelle erreicht, kippt das System: Die Bindungen können sich nicht mehr schnell genug erneuern, zusätzlich kommt es zu lokalen Erwärmungen im Material – die Reibung sinkt.
„Das System geht vom langsamen Kriechen in schnelles Gleiten über – genau das könnte ein möglicher Auslöser von Erdbeben sein“, erläutert Bo Persson.
Die Erkenntnisse könnten helfen, bestehende Modelle zu verbessern. „Wir müssen genauer verstehen, wie sich Reibung mit der Bewegung verändert“, sagt Persson. „Das könnte entscheidend sein, um Erdbebenprozesse realistischer zu beschreiben.“
Pionier der Reibungslehre
Bo Persson hat die Tribologie über Jahrzehnte entscheidend geprägt. Seine Theorie der Kontaktmechanik beschreibt, wie raue Oberflächen in Kontakt treten – eine Grundlage für verschiedenste Anwendungen der Reibungsforschung. Der Physiker hat so unter anderem Reibung von Autoreifen, Touchscreens und Gletschern untersucht.
Der gebürtige Schwede arbeitet heute als emeritierter Forscher am Forschungszentrum Jülich und kooperiert zugleich mit Forschungseinrichtungen in China. Für seine wissenschaftlichen Leistungen wurde er mit der Tribology Gold Medal ausgezeichnet – der höchsten Ehrung auf diesem Gebiet.
Granite sliding on granite: friction, wear rates, surface topography, and the scale-dependence of rate–state effects
Sergey V. Sukhomlinov, Martin H. Müser, B. N. J. Persson
Rep. Prog. Phys. (2026), DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae4b66
https://Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich https://www.fz-juelich.de/de/aktuelles/news/pressemitteilungen/2026/klebendes-ge...
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Geosciences, Materials sciences, Mechanical engineering, Oceanology / climate, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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